本發(fā)明涉及寬帶陣列信號處理領(lǐng)域的測向技術(shù)，尤其是一種針對寬帶ofdm通信信號的陣列測向方法及裝置。

背景技術(shù)：

music(multiplesignalclassification)算法是schmidt等人在1979年提出的，它的基礎(chǔ)思想是將任意陣列輸出數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣進行特征分解，從而得到與信號分量相對應(yīng)的信號子空間和與信號分量相正交的噪聲子空間，然后利用這兩個子空間的正交性進行譜峰搜索來估計信號的入射方向。

針對寬帶ofdm通信信號，傳統(tǒng)的陣列測向music(multiplesignalclassification)算法無法對此類信號進行多信號分辨和波達方向估計，只能處理窄帶且不相干的空間信號，而采用比幅和比相體制的測向算法也無法同時對多個信號進行分辨，更不能進行有效的波達方向估計。因此，解決寬帶ofdm通信信號的波達方向估計問題很有必要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種針對寬帶ofdm通信信號的陣列測向方法及裝置。要解決在空間存在多個相干寬帶ofdm通信信號的情況下，利用均勻線陣或者均勻圓陣采用頻率聚焦方法分辨多個信號，同時測量每個信號一維或者二維波達方向的技術(shù)問題。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種針對寬帶ofdm通信信號的陣列測向方法包括：

選定聚焦參考頻率點f0，將陣列接收的ofdm信號分解并進行dft處理，得到寬帶陣列信號xk(fj)，j＝1，2，…，j；

再利用聚焦后的陣列流型與參考頻率點陣列流型間誤差最小的約束條件以及陣列流型矩陣計算各對應(yīng)頻率點的聚焦矩陣t(fj)；

根據(jù)聚焦矩陣t(fj)，對每個子時間段內(nèi)陣列接收數(shù)據(jù)進行聚焦變換得到單一頻率點數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣hk(fj)，進而得到關(guān)于參考頻率點協(xié)方差矩陣rk；

在k個時間段內(nèi)，計算每個參考頻率點協(xié)方差矩陣rk的算術(shù)平均值r；

對r進行特征值分解，得到信號子空間es和噪聲子空間en，進而得到寬帶music算法的空間譜表達式；

根據(jù)空間譜表達式進行搜索，得到p個極大值點對應(yīng)的角度位置即是寬帶ofdm信號來波方向的估計值。

進一步的，根據(jù)天線陣列形式，構(gòu)造信號帶寬范圍內(nèi)各個頻率點的陣列流型矩陣是m×p維為陣列流型矩陣，其第列導(dǎo)向矢量為：m為陣元個數(shù)；τli表示第i個信號到達第l個陣元時相對于參考陣元的時延；i＝1，2，…，p。

進一步的，與寬帶陣列信號xk(fj)關(guān)系是：

j＝1，2，…，j；k＝1，2，…，k；xk(fj)，nk(fj)都是m×1維矢量，其元素分別由第k個時間間隔中陣列接收信號xk(t)和噪聲nk(t)在頻率fj處的離散傅里葉系數(shù)構(gòu)成；sk(fj)是p×1維矢量，它由第k個時間間隔中入射信號sk(t)的離散傅里葉系數(shù)構(gòu)成；

進一步的，通過全向天線陣元組成均勻圓陣的天線陣列形式，按照半徑的間隔設(shè)置天線陣列，c為光速，；

該均勻圓陣是立體陣，同時反映信號方位和俯仰特性，每一列導(dǎo)向矢量經(jīng)過推導(dǎo)可以表示為：i表示相干信號個數(shù)；i大于等于1小于m；

進一步的，所述均勻圓陣的天線陣列聚焦矩陣計算過程是：

選定聚焦頻率為寬帶ofdm信號中心頻率f0，總的觀測時間為t0。將陣列接收的ofdm信號時域快拍分成k個時間子段，每段

對每一時間子段做j點fft得xk(fj)，則信號疊加噪聲的陣列信號輸出被劃分成j個窄帶頻率分量，其中fj為第j個窄帶頻率分量；

采用rss方法構(gòu)造各個頻率點的陣列流型矩陣，通過計算各對應(yīng)頻率點的聚焦矩陣t(fj)，完成頻率分量fj向f0的聚焦。

進一步，所述均勻圓陣的天線陣列參考頻率點協(xié)方差矩陣rk的算術(shù)平均值r計算過程是：

根據(jù)聚焦矩陣t(fj)，對第k個時間子段內(nèi)陣列接收數(shù)據(jù)xk(fj)進行聚焦變換得到y(tǒng)k(fj)，進而得到第k個時間子段內(nèi)單一頻率點處的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣hk(fj)；

在計算完成劃分的所有頻率點后，取所有hk(fj)的算術(shù)平均值得到第k個時間子段內(nèi)基于參考頻率點f0的協(xié)方差矩陣rk；

求出所有k個時間段內(nèi)基于參考頻率點的協(xié)方差矩陣的算術(shù)平均值rk，再計算rk的算術(shù)平均值得到所有數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣r；

進一步，所述寬帶ofdm通信信號來波方向的估計值計算過程：

r進行特征值分解，得到信號子空間es和噪聲子空間en；按照寬帶music算法的空間譜表達式進行一維或者二維空間譜計算和譜峰搜索，其中的p個極大值點對應(yīng)的角度即是p個寬帶ofdm通信信號來波方向的估計值。

進一步的，所述數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r計算過程：

對劃分的k個時間子段進行加權(quán)平均，得到整個觀察時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣

進一步的，所述陣列測向方法的陣列測向裝置包括：

寬帶陣列信號xk(fj)計算模塊，用于選定聚焦參考頻率點f0，將陣列接收的ofdm信號分解并進行dft處理，得到寬帶陣列信號xk(fj)，j＝1，2，…，j；

聚焦矩陣計算模塊，用于利用聚焦后的陣列流型與參考頻率點陣列流型間誤差最小的約束條件以及陣列流型矩陣計算各對應(yīng)頻率點的聚焦矩陣t(fj)；

參考頻率點協(xié)方差矩陣計算模塊，用于根據(jù)聚焦矩陣t(fj)，對每個子時間段內(nèi)陣列接收數(shù)據(jù)進行聚焦變換得到單一頻率點數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣hk(fj)，進而得到關(guān)于參考頻率點協(xié)方差矩陣rk；

協(xié)方差矩陣平均值計算模塊，用于在k個時間段內(nèi)，計算每個參考頻率點協(xié)方差矩陣rk的算術(shù)平均值r；

寬帶ofdm信號來波方向估計值計算模塊，用于對r進行特征值分解，得到信號子空間es和噪聲子空間en，進而得到寬帶music算法的空間譜表達式；根據(jù)空間譜表達式進行搜索，得到p個極大值點對應(yīng)的角度位置即是寬帶ofdm信號來波方向的估計值。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明采用寬帶聚焦方法，設(shè)計使用均勻分布的陣列天線，對相干寬帶ofdm通信信號進行分辨，并給出了多個目標的一維(方位角)和二維(方位和俯仰角)波達方向估計結(jié)果，相對于傳統(tǒng)的陣列處理方法，兩者對比如下：

1)在計算陣列協(xié)方差矩陣r時，傳統(tǒng)music方法是利用陣列收集的時域快拍直接進行相干積累，這種方法對于窄帶信號有效，但對于寬帶ofdm信號已經(jīng)無能為力。采用頻率聚焦矩陣，通過時頻域轉(zhuǎn)換分段計算觀測數(shù)據(jù)的頻域快拍的方法可以有效實現(xiàn)對寬帶通信信號的波達方向估計；

2)傳統(tǒng)music譜估計方法無法對多個相干信號進行分辨，采用寬帶聚焦方法以后，能夠?qū)臻g中同時存在的多個相干寬帶ofdm信號進行分辨；

3)在對寬帶ofdm通信信號進行波達方向估計的過程中，傳統(tǒng)music方法采用一維均勻線陣，因而只能獲取信號在方位上的到達角度，本發(fā)明給出了采用均勻圓陣對寬帶信號同時進行方位和俯仰二維角度估計的實現(xiàn)方法和估計性能；

4)通過對比傳統(tǒng)music方法與rss方法針對相同寬帶ofdm信號的分辨能力和測向性能，證明后者具有更優(yōu)異的寬帶信號超分辨測向性能，在實際應(yīng)用中會更加有效。

綜上分析，采用本發(fā)明中的寬帶聚焦方法，結(jié)合相應(yīng)的布陣形式，能夠滿足常規(guī)music算法無法達到的性能要求，可以顯著增強對寬帶ofdm通信信號的測向和分辨能力，為運用陣列處理方法對寬帶信號進行一維和二維波達方向估計提供了一種科學(xué)的技術(shù)解決方案。

附圖說明

本發(fā)明將通過例子并參照附圖的方式說明，其中：

圖1為實施案例中陣元接收的寬帶ofdm通信信號時域波形

圖2為實施案例中陣元接收的寬帶ofdm通信信號頻域波形

圖3為本文方法與傳統(tǒng)譜估計方法對相同寬帶ofdm信號測向能力比較(線陣)

圖4為本文方法與傳統(tǒng)譜估計方法對相同寬帶ofdm信號測向能力比較(圓陣)

圖5為均勻線陣測向精度隨信噪比變化曲線的monte-carlo仿真結(jié)果(200點)

具體實施方式

本說明書中公開的所有特征，或公開的所有方法或過程中的步驟，除了互相排斥的特征和/或步驟以外，均可以以任何方式組合。

本說明書中公開的任一特征，除非特別敘述，均可被其他等效或具有類似目的的替代特征加以替換。即，除非特別敘述，每個特征只是一系列等效或類似特征中的一個例子而已。

本發(fā)明相關(guān)說明：

1、ofdm調(diào)制原理

ofdm全稱正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing)，是一種高效的多載波調(diào)制方式，可以有效對抗無線通信信道中的頻率選擇性衰落。通過將數(shù)據(jù)比特進行星座映射后得到的數(shù)據(jù)符號調(diào)制到若干個相互正交的子載波上實現(xiàn)頻譜的高效利用。子載波的頻率間隔與子載波上的數(shù)據(jù)符號持續(xù)時間互為倒數(shù)，可以保證得到的已調(diào)子載波具有滿足正交性條件的最小頻率間隔。在數(shù)據(jù)符號進行ofdm調(diào)制以前，需要先將串行的數(shù)據(jù)符號轉(zhuǎn)換為并行，然后再把經(jīng)過ofdm調(diào)制后的多路數(shù)據(jù)疊加起來轉(zhuǎn)換為串行數(shù)據(jù)流，插入保護間隔后形成發(fā)射信號，最后經(jīng)過成型濾波器由射頻單元發(fā)射出去。ofdm解調(diào)則是先獲取子載波上承載的數(shù)據(jù)符號，再將符號進行并串轉(zhuǎn)換，解調(diào)輸出，獲取傳輸?shù)谋忍匦畔ⅰ?/p>

如果n表示子載波的個數(shù)，t表示ofdm符號寬度，dk(k＝0，1，2，…，n-1)是分配給每個子載波的數(shù)據(jù)符號，fc是第0個子載波的載波頻率，rect(t)＝1，|t|≤t/2，

則從t＝ts開始的ofdm符號可以表示為：

相應(yīng)的，ofdm等效基帶信號模型如下：

忽略矩形成型脈沖函數(shù)，令ts＝0，對信號zb(t)以的速率進行采樣，即令可以得到：

由(3)式可以看到，sn等效為對dk進行idft(invertdiscretefouriertransform)運算。同樣在接收端，為了恢復(fù)出原始的數(shù)據(jù)符號dk，可以對sn進行逆變換，即dft得到。

2、寬帶陣列信號模型

考慮陣列模型為m個陣元等距排列的均勻線陣(uniformlineararray，ula)或者沿圓周等角度間隔排列的均勻圓陣(uniformcirculararray，uca)，有p個寬帶ofdm遠場通信信號分別從不同的角度輻射到陣列上，入射角分別為其中θ和分別表示入射信號的方位和俯仰角。假設(shè)寬帶ofdm信號有相同帶寬b和中心頻率f0，噪聲為高斯白噪聲，均值為0，方差為σ²，且信號與噪聲不相關(guān)，其中第一個陣元作為參考陣元，則第l個陣元上的接收數(shù)據(jù)(不考慮增益時)可以表示為：

其中：si(t)為第i個入射信號，τli表示第i個信號到達第l個陣元時相對于參考陣元的時延，c是光速，nl(t)表示第l個陣元在t時刻的噪聲。

如果將觀察時間t0分為k個子段，每段時間為tk，為了保證在頻域上陣列輸出數(shù)據(jù)不相關(guān)，若取時間子間隔tk足夠長，滿足τli＜tk，則時延τli可以轉(zhuǎn)化為頻域中的相移。對觀察數(shù)據(jù)進行j點離散傅里葉變換dft(discretefouriertransform)，得到第k個時間間隔頻率域內(nèi)的寬帶陣列信號模型：

其中：xk(fj)，nk(fj)都是m×1維矢量，其元素分別由第k個時間間隔中陣列接收信號xk(t)和nk(t)噪聲在頻率fj處的離散傅里葉系數(shù)構(gòu)成；sk(fj)是p×1維矢量，它由第k個時間間隔中入射信號sk(t)的離散傅里葉系數(shù)構(gòu)成；

是m×p維為陣列流型矩陣，其第i(i＝1，2，…，p)列導(dǎo)向矢量為：

3、工作過程：如圖1

3.1聚焦矩陣t(fj)構(gòu)造過程：

本發(fā)明公式推導(dǎo)針對二維情況(其中，一維情況可以理解為是的特殊二維情況)。基于寬帶聚焦矩陣的來波方向估計方法的基本思想是通過聚焦矩陣將各頻率點的數(shù)據(jù)變?yōu)閰⒖碱l率點的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵在于聚焦矩陣的選擇。由寬帶信號

模型(5)式可知，核心問題是構(gòu)造聚焦矩陣t(fj)，使之滿足(6)式：

本文中寬帶聚焦矩陣采用旋轉(zhuǎn)信號子空間變換算法計算得到，它的工作原理是使聚焦后的陣列流型與參考頻率點陣列流型間誤差最小，即：

約束條件t(fj)為酉矩陣，即t^h(fj)t(fj)＝i(i表示單位矩陣)。

其中：||·||f為frobenius模，θ為信號方向矩陣[θ1θ2…θp]^t。上述過程實際上是通過tj作用于陣列流型張成的子空間，使之在frobenius模最小意義下擬合張成的子空間。(7)式在約束條件下的一個解為：

t(fj)＝v(fj)u(fj)^h(8)

其中：u(fj)和v(fj)分別是的左奇異值矢量和右奇異值矢量為列排成的矩陣。

3.2單一頻率點數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣hk(fj)計算過程：

將t(fj)代入(5)式，則有(9)式，然后得到(10)式：

其中：rs(fj)和σ²(fj)分別表示頻率為fj的觀察數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣和噪聲功率。

3.3參考頻率點協(xié)方差矩陣rk及數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r計算過程：

首先對各個頻率點hk(fj)加權(quán)平均，得到第k個子時間段關(guān)于參考頻率點f0的協(xié)方差矩陣rk：

然后對劃分的k個時間子段進行加權(quán)平均，得到整個觀察時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣r：

3.4寬帶music算法的空間譜表達式計算過程：

最后對協(xié)方差矩陣r進行特征值分解，得到p個大的特征值λi(i＝1，2，…，p)，p個大特征值對應(yīng)的特征向量張成信號子空間es＝[e1e2…ep]，剩余m-p個較小的特征值對應(yīng)的特征向量張成噪聲子空間en＝[ep+1ep+2…em]。

綜上所述，可以得到寬帶music算法的空間譜表達式(13)：

根據(jù)以上基于聚焦矩陣的思想，寬帶ofdm信號的分辨和波達方向估計；根據(jù)(13)式中的空間譜表達式進行一維方位或者二維方位、俯仰譜峰搜索，其中p個極大值點對應(yīng)的角度位置即是寬帶ofdm信號來波方向的估計值。

4、實施步驟包括：

4.1選定聚焦參考頻率點f0，將陣列接收的ofdm信號分成k個不重疊子段，每個子段均分成j個窄頻段并做dft，得到xk(fj)，j＝1，2，…，j；

4.2根據(jù)天線陣列形式，構(gòu)造信號帶寬范圍內(nèi)各個頻率點的一維或者二維陣列流型矩陣，再利用(8)式計算各對應(yīng)頻率點的聚焦矩陣。由于二維面陣的陣列流型可以反映信號在空域的立體特征，在多個信號的分辨上與一維線性陣列相比具有明顯的優(yōu)勢；

4.3根據(jù)(9)式對每個子時間段內(nèi)陣列接收數(shù)據(jù)進行聚焦變換得到y(tǒng)k(fj)，由(10)式得到單一頻率點數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣hk(fj)，再按照(11)式對所有頻率點取算術(shù)平均值得到關(guān)于參考頻率點的協(xié)方差矩陣rk；

4.4在k個時間段內(nèi)，按照(12)式計算每個參考頻率點處協(xié)方差矩陣算術(shù)平均值rk的算術(shù)平均值r；

4.5對r進行特征值分解，得到信號子空間es和噪聲子空間en；

4.6根據(jù)(13)式中的空間譜表達式進行一維方位或者二維方位、俯仰譜峰搜索，其中p個極大值點對應(yīng)的角度位置即是寬帶ofdm信號來波方向的估計值。

5、具體實施例一：

5.1仿真條件：

具有相同的中心頻率f0＝2ghz和相同的帶寬b＝200mhz的寬帶ofdm通信信號，采用qpsk(quadraturephaseshiftkeying)調(diào)制，256個碼元，64個子載波。陣列噪聲n(t)是平穩(wěn)的零均值帶限(與ofdm信號具有相同的帶寬)高斯過程，m個陣元的噪聲nm(t)(m＝1，2，…，m)之間相互獨立，且具有相同的統(tǒng)計特性，它們與信號也是統(tǒng)計獨立的。信噪比設(shè)定為20db。每個陣元的采樣頻率為4ghz。針對如下兩種布陣形式開展性能仿真試驗，其中第一種線陣是目前普遍采用的布陣形式，第二種圓陣是本文采用的新陣型。

天線布陣形式1：8個全向天線陣元組成均勻線陣，陣元間距c為光速(按照此陣元間隔進行天線布陣)，三個相干信號分別以和角度入射，時域快拍snap＝1000。陣型1的陣列流型矩陣每一列導(dǎo)向矢量經(jīng)過推導(dǎo)可以表示為：

天線布陣形式2：8個全向天線陣元組成均勻圓陣，半徑c為光速(按照此陣元間隔進行天線布陣)，三個相干信號分別以方位和俯仰和角度入射，時域快拍snap＝1000。陣型2的陣列流型矩陣不同于陣型1，它是立體陣，可以同時反映信號方位和俯仰特性，具有廣泛的適用性，每一列導(dǎo)向矢量經(jīng)過推導(dǎo)可以表示為：采用本方案對三個寬帶ofdm信號進行分辨和波達方向估計的詳細實施步驟如下：

步驟5.1選定聚焦頻率為寬帶ofdm信號中心頻率f0，總的觀測時間為t0＝1.28us。將陣列接收的ofdm信號1000個時域快拍分成k＝10個時間子段，每段

步驟5.2對每一時間子段做100點fft得xk(fj)，則信號疊加噪聲的陣列信號輸出被劃分成j＝100個窄帶頻率分量，其中j＝50處為寬帶信號中心頻率f0所在的頻率點；

步驟5.3采用rss方法構(gòu)造各個頻率點的陣列流型矩陣，通過計算各對應(yīng)頻率點的聚焦矩陣t(fj)，完成頻率分量fj向f0的聚焦；

步驟5.4根據(jù)聚焦矩陣t(fj)，對第k個時間子段內(nèi)陣列接收數(shù)據(jù)xk(fj)進行聚焦變換得到y(tǒng)k(fj)，進而得到第k個時間子段內(nèi)單一頻率點處的數(shù)據(jù)協(xié)方差矩陣hk(fj)；

步驟5.5在計算完成劃分的所有頻率點后，取所有hk(fj)的算術(shù)平均值得到第k個時間子段內(nèi)基于參考頻率點f0的協(xié)方差矩陣rk；

步驟5.6重復(fù)步驟5.4～5.5的計算方法，求出所有k個時間段內(nèi)基于參考頻率點的協(xié)方差矩陣的算術(shù)平均值rk，再計算rk的算術(shù)平均值得到所有數(shù)據(jù)的協(xié)方差矩陣r；

步驟5.6對r進行特征值分解，得到信號子空間es和噪聲子空間en；

步驟5.7按照(13)式進行一維或者二維空間譜計算和譜峰搜索，其中的p個極大值點對應(yīng)的角度即是p個寬帶ofdm通信信號來波方向的估計值。

經(jīng)過天線布陣設(shè)計和計算機仿真驗證，分別采用8元均勻線陣和均勻圓陣，在實施實例中的仿真條件下，根據(jù)rss計算方法，按照1)～8)的計算步驟完成對三個相干寬帶ofdm信號的分辨以及一維和二維波達方向估計，效果良好，且隨著信噪比的提高，估計精度顯著提高，魯棒性較強(圖3)；作為對比，給出了相同條件下采用傳統(tǒng)music譜估計方法的信號分辨能力以及波達方向估計結(jié)果(圖3、圖5)。理論分析和計算機仿真均表明，本發(fā)明中基于寬帶聚焦矩陣的寬帶ofdm通信信號分辨以及一維和二維波達方向估計方法相對于傳統(tǒng)譜估計計算方法具有明顯優(yōu)勢，在傳統(tǒng)方法已經(jīng)無法區(qū)分多個信號的情況下依然保持了較高的分辨能力，且對于相干寬帶信號也可以給出精確的波達方向，顯著提高了算法性能，拓寬了空間譜估計測向技術(shù)的工程化應(yīng)用范圍，具有較強的實用性。

本發(fā)明并不局限于前述的具體實施方式。本發(fā)明擴展到任何在本說明書中披露的新特征或任何新的組合，以及披露的任一新的方法或過程的步驟或任何新的組合。